Univers superfluide: la matière noire comme condensat de Bose-Einstein

Les effets quantiques ne fonctionnent pas seulement au niveau subatomique: ils peuvent se propager à travers la galaxie et résoudre le mystère de la matière noire

La majeure partie de la matière de l'Univers est invisible, consiste en une certaine substance qui ne laisse aucune trace dans le processus de passage à travers nous, et à travers tous les détecteurs construits par les scientifiques dans le but de l'attraper. Mais cette matière noire n'est peut-être même pas constituée de nuages ​​invisibles de particules, comme le suggèrent la plupart des théoriciens. Au lieu de cela, il peut s'avérer être quelque chose d'encore plus étrange: un superfluide qui s'est condensé en flaques d'eau il y a des milliards d'années et a engendré les galaxies que nous observons aujourd'hui.

Cette nouvelle hypothèse a des conséquences profondes pour la cosmologie et la physique. La matière noire superfluide (STM) résout de nombreux problèmes théoriques associés aux nuages ​​de particules. Elle explique les longues tentatives infructueuses qui ont échoué pour déterminer les composants individuels de ces nuages. Il offre également une voie scientifique claire pour de nouvelles recherches et donne certaines prédictions qui peuvent être vérifiées bientôt.

La STM a également d'importantes implications conceptuelles. De cette idée, il résulte que le concept généralement accepté de l'Univers comme une masse de particules individuelles liées par certaines forces - comme si le concepteur d'un enfant - manque toute la richesse de la nature. La majeure partie de la matière dans l'Univers peut être complètement différente de la matière dont est composé votre corps: elle peut ne pas être constituée d'atomes ou même de particules comme nous l'imaginons habituellement, mais être un ensemble cohérent d'une énorme étendue.

"Pendant de nombreuses années, les gens ont utilisé le modèle le plus simple pour la MT: des particules qui n'entrent pas en collision avec d'autres particules et n'émettent pas de lumière", a déclaré Justin Khoury, professeur de physique théorique à l'Université de Pennsylvanie. "Mais au cours des 20 dernières années, les observations et les simulations informatiques se sont nettement améliorées, et à l'échelle galactique, ce modèle a quelques problèmes." Les particules de TM n'entrent pas en collision avec elles-mêmes, par conséquent, ne s'assemblent pas en structures compactes équivalentes aux étoiles et aux planètes. Puisque la MT, par définition, n'émet pas de lumière, la preuve de son existence est son effet gravitationnel: un matériau invisible, à en juger par tout, affecte la formation, la rotation et le mouvement des galaxies. Aux plus grandes échelles, les HM sans collision sont généralement en bon accord avec les observations astronomiques.

À plus petite échelle, ce modèle populaire et largement utilisé prédit que plus de matière devrait être collectée dans les centres galactiques que les astronomes ne peuvent en voir - cette caractéristique est connue comme le «problème de la cuspide». De plus, ce modèle prédit trop de galaxies satellites pour la Voie lactée, et ne peut expliquer pourquoi les satellites que nous avons vraiment sont situés presque dans le même plan. Et enfin, TM sans collisions ne dit rien sur la raison pour laquelle la luminosité des galaxies spirales correspond à leur vitesse de rotation. Ce modèle simple semble trop simple.

Une explication possible de ces lacunes peut être que les physiciens ont raté un important processus astrophysique impliqué dans la formation de la galaxie. Mais Koury ne le pense pas. De son point de vue, ce problème parle de quelque chose de plus profond. Le fait est non seulement que le modèle froid de TM sans collisions correspond à peine à certaines données, mais aussi qu'un modèle complètement différent est beaucoup mieux cohérent avec les observations mêmes avec lesquelles le modèle standard a des problèmes. Au lieu d'inventer de nouvelles particules non découvertes, un autre modèle suggère de modifier la gravité pour correspondre à la MT. Le comportement de la gravité à des distances de milliers et de millions d'années-lumière ne peut pas être mesuré directement. Les petits effets qui ne peuvent pas être détectés sur Terre peuvent jouer un rôle assez important à l'échelle d'une galaxie entière.

La modification de la gravité (MG) est étonnamment réussie dans certains cas et rencontre des problèmes dans d'autres. D'une part, elle correspond étonnamment facilement à la rotation des galaxies et explique d'où vient la dépendance de la luminosité et de la vitesse de rotation. MG ne permet pas à une telle variété de paramètres de galaxie à galaxie d'apparaître lors de l'utilisation de nuages ​​de particules - ces dernières peuvent être complètement différentes. D'un autre côté, la MG ne supporte guère les observations de distances beaucoup plus grandes ou plus petites que la taille d'une galaxie typique. À ces échelles, le modèle de froid TM fonctionne mieux.

Il est notoire que changer quelque chose dans la théorie de la gravité d'Einstein, sans la casser complètement, est extrêmement difficile. Par conséquent, la plupart des physiciens choisissent une alternative plus sûre sous forme de particules. Pour eux, l'apparition de nouvelles particules est un chemin battu pour résoudre des problèmes, et les mathématiques associées sont un territoire familier. Mais Koury ne veut joindre aucun de ces partis. Il veut tirer le meilleur des deux, afin de s'adapter au mieux à l'univers réel.

«Habituellement, les gens essayaient de résoudre des problèmes à l'échelle galactique en modifiant la gravité; c'était l'alternative à la MT », explique Courie. - Et pour une raison, peut-être de nature sociale, ces deux approches ont été considérées comme s'excluant mutuellement: vous êtes soit au camp MG, soit au camp TM, qui est constitué de particules. Mais pourquoi ne pas les combiner? Bien sûr, le rasoir d'Occam dirait qu'il serait moins convaincant. Par conséquent, l'approche que nous avons choisie est que les deux phénomènes, MG et TM, constitués de particules, peuvent simplement être des aspects de la même théorie. »

Les preuves de l'existence de la MT se sont accumulées depuis sa découverte par l'astronome suisse Fritz Zwicky il y a plus de 80 ans. En 1933, Zwicky a utilisé le télescope Hooker de 254 cm au Mount Wilson Observatory en Californie, le dirigeant vers le Veronica Hair Cluster . Il s'agit d'un essaim d'environ 1000 galaxies reliées entre elles par attraction gravitationnelle. Dans un tel système connecté, les vitesses de ses composants - dans ce cas, les galaxies - dépendent de la masse liée totale. Zwicky a noté que les galaxies se déplacent beaucoup plus rapidement qu'elles ne le feraient si l'on ne considérait que la masse apparente de matière, et a suggéré que l'amas devrait contenir de la matière invisible. Il l'a appelé Dunkle Materie, ou «matière noire» en allemand.

Les physiciens pourraient rejeter ce cas comme une étrange déviation. Mais il s'est avéré que cette observation est plus la règle que l'exception lorsque l'astronome américaine Vera Rubin a étudié la rotation des galaxies spirales à partir des années 1960. La vitesse des étoiles sur des orbites éloignées du centre de la galaxie dépend de la masse totale (et, par conséquent, de l'attraction gravitationnelle) du système connecté - dans ce cas, de la masse de la galaxie. Les mesures de Rubin ont montré que des dizaines de galaxies tournaient plus vite que ce que l'on aurait pu attendre de la seule matière visible. Depuis que les observations de Rubin ont mis la MT à la lumière des projecteurs, elle figure sur la liste des problèmes non résolus les plus populaires de la physique.

La technologie des télescopes s'est constamment améliorée et les preuves en faveur de la MT obtenues à partir des observations se sont progressivement accumulées et affinées. Les physiciens peuvent désormais observer de petites distorsions dues à la courbure gravitationnelle de l'espace-temps près des amas galactiques. Cette distorsion, connue sous le nom de lentille gravitationnelle faible, déforme légèrement l'apparence des objets stellaires plus éloignés; la lumière qui en émane se courbe autour de l'amas, dont l'attraction agit comme une lentille. Par la force de cet effet, le total peut calculer la masse de l'amas et démontrer la présence de TM. En utilisant cette méthode, les physiciens ont même construit des cartes de distribution de la MT. En les comparant à d'autres méthodes de preuve, ils ont déterminé que 85% de la matière de l'Univers devrait concerner la MT.

En utilisant encore plus de données, les physiciens ont également pu exclure l'idée que la MT consiste en des morceaux invisibles d'atomes ordinaires, tels que ceux qui composent la Terre (techniquement, ils sont appelés matière baryonique ). Cette matière normale interagit trop avec elle-même; il ne donnerait pas la distribution observée de TM. La MT ne peut pas non plus être constituée d'étoiles qui s'effondrent dans des trous noirs ou d'autres objets astronomiques sombres. S'il en était ainsi, ces objets devraient être considérablement plus nombreux que les étoiles de notre galaxie, ce qui entraînerait des distorsions gravitationnelles importantes et facilement observables. De plus, le HM ne peut pas être constitué d'autres particules connues, telles que des neutrinos à interaction faible, émis par des étoiles en grand nombre. Les neutrinos ne fusionnent pas assez fortement pour créer des structures galactiques observables.

Il s'avère que pour expliquer en quoi consiste la MT, les physiciens doivent construire des théories sur de nouvelles particules non encore découvertes. Le plus souvent, ils sont utilisés et se répartissent en deux grandes classes: les particules massives à faible interaction ( WIMP ) et les axions beaucoup plus légers, bien qu'il ne manque pas non plus d'hypothèses plus complexes combinant différents types de particules. Mais toutes les tentatives pour détecter ces particules directement, et pas seulement pour dériver leur présence de l'attraction gravitationnelle, restent jusqu'à présent infructueuses. Au lieu de résoudre le puzzle, des expériences pour les détecter directement ne font que l'approfondir.

«Aujourd'hui, il est impossible de s'intéresser à la cosmologie sans s'intéresser à la matière noire», a déclaré Stefano Liberati, professeur de physique à l'École internationale des hautes études d'Italie. Liberati et ses collègues ont indépendamment travaillé sur une explication de la MT , très similaire à ce que Kouri donne. Lorsque les Libériens ont découvert pour la première fois le succès des MG à l'échelle galactique, là où les modèles TM froids échouent, il a immédiatement essayé de trouver un moyen de combiner ces deux modèles. «Cela m'a fait réfléchir: peut-être que TM connaît une transition de phase à petite échelle», dit-il. - Peut-être qu'il se transforme en une sorte de liquide, en particulier, en un superfluide. Si elle forme de la condensation à l'échelle galactique, elle résoudrait en fait de nombreux problèmes. »

Les liquides superfluides n'existent pas dans la vie quotidienne, mais ils sont familiers aux physiciens. Ils sont comme des supraconducteurs - une classe de matériaux dans lesquels l'électricité se déplace sans résistance. Lorsqu'il est refroidi à une température proche du zéro absolu, l'hélium commence également à s'écouler sans résistance. Il s'infiltre à travers les plus petits pores, et s'écoule même des palettes, remontant les murs. Un tel comportement superfluide n'est pas propre à l'hélium; c'est la phase de l'état de la matière dans laquelle d'autres particules peuvent passer à des températures suffisamment basses. Cette classe de liquides ultra-froids, prédite pour la première fois en 1924 par Einstein et le physicien indien Chatyatranath Bose , est maintenant connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein . Les Libériens ont réalisé que la MT peut également entrer dans un état superfluide.

Les condensats de Bose-Einstein sont mieux étudiés sous la forme d'un mélange de deux composants: liquide superfluide et ordinaire. Ces deux composants se comportent différemment. Le superfluide présente des effets quantiques à de grandes distances, il n'a pas de viscosité et des corrélations inattendues apparaissent à grande échelle; il se comporte comme s'il était composé de particules beaucoup plus grosses qu'il ne l'est réellement. Un autre composant normal se comporte comme les fluides habituels; adhère aux conteneurs et à lui-même - c'est-à-dire qu'il a une viscosité. Le rapport entre les deux composants dépend de la température du condensat: plus la température est élevée, plus l'influence du composant normal est grande.

Nous sommes habitués à penser que la physique quantique ne prévaut que dans le domaine microscopique. Mais plus les physiciens apprenaient la théorie quantique, plus il devenait clair que ce n'était pas le cas. Les condensats de Bose-Einstein sont parmi les substances les mieux étudiées qui permettent aux effets quantiques de se propager dans un milieu. En théorie, le comportement quantique peut s'étendre à des distances arbitrairement grandes si ses perturbations sont suffisamment faibles.

Dans un environnement aussi chaud et bruyant que la Terre, les effets quantiques fragiles sont rapidement détruits. Par conséquent, nous ne rencontrons généralement pas des aspects aussi étranges de la physique quantique que la capacité des particules à se comporter comme des ondes. Mais si vous invoquez un comportement quantique dans un endroit frais et calme, il persistera. Dans un endroit aussi froid et calme, comme l'espace extra-atmosphérique. Là, les effets quantiques sont capables de s'étendre sur de grandes distances.

Si la MT était un condensat de Bose-Einstein - celui dans lequel l'effet quantique s'étend à toute la galaxie - cet état expliquerait naturellement deux modèles différents du comportement de la TM. À l'intérieur des galaxies, la majeure partie du TM serait en phase superfluide. Pendant les amas galactiques avec une grande proportion d'espace intergalactique, la majeure partie de la TM serait en phase normale, ce qui provoquerait un comportement différent. Selon Cowry et ses collègues, il est possible d'expliquer les effets observés du HM en utilisant un modèle de condensat de Bose-Einstein simple avec seulement quelques paramètres ouverts (propriétés qui doivent avoir les valeurs correctes pour que le modèle fonctionne).

L'idée que la MT peut être un condensat de Bose-Einstein a longtemps tourné dans la communauté astrophysique, mais la nouvelle version a ses propres différences. La nouvelle idée de Kouri est si convaincante car il dit que le superfluid TM peut imiter la MG: il atteint l'objectif en combinant le meilleur des deux modèles. Il s'avère que la gravité n'a pas besoin d'être modifiée pour obtenir les résultats observés dans les théories MG. Un superfluide cohérent peut conduire à l'apparition des mêmes équations et du même comportement. Ainsi, le modèle Koury combine les avantages de la TM froide et de la MG sans les inconvénients des deux théories.

Superfluid TM peut surmonter le plus grand des problèmes de MG: l'aversion de la plupart des astrophysiciens. Beaucoup de ces chercheurs venaient de la physique des particules, et les équations MG leur semblent inhabituelles. Pour un physicien des particules, ces équations semblent peu attrayantes et contre nature. Ils semblent adaptés au résultat. Mais superfluid TM propose une approche différente, peut-être plus naturelle, des équations.

Selon Cowry, les équations pour superfluid TM n'appartiennent pas au domaine de la physique des particules élémentaires. Ils apparaissent à partir de la physique de la matière condensée , où ils décrivent non pas des particules fondamentales, mais un comportement à longue distance qui apparaît sur leur base. Dans le modèle de Kouri, les équations apparaissant dans le MG ne décrivent pas les particules individuelles. Ils décrivent le comportement conjoint des particules. De telles équations ne sont pas familières à de nombreux experts en physique des particules, de sorte que la relation entre la superfluidité et la MG est restée inaperçue pendant si longtemps. Mais, contrairement aux équations MG, les équations décrivant des liquides superfluides ont déjà une base théorique solide - uniquement en physique de la matière condensée.

Que Kouri ait remarqué cette connexion est une coïncidence imprévisible. Il est tombé sur la littérature sur la physique de la matière condensée, en utilisant des équations très similaires à celles qu'il a vues dans les théories MG: "Et tout le reste s'est alors mis en place", dit-il. "Je pensais que tout cela venait de former une belle image qui combine ces deux phénomènes."

Revenant aux preuves observationnelles de l'existence de la MT, l'approche superfluide de Koury peut résoudre de nombreux problèmes des modèles existants. Pour commencer, la superfluidité empêche l'agglutination excessive des HM dans les centres des galaxies, éliminant le «coude» illusoire, car toutes les fluctuations de densité sont alignées dans la phase superfluide. «Le superfluide aura une longueur cohérente [la distance à laquelle toute la matière est dans le même état]», explique Liberati. "De cela, il est déjà clair qu'il n'y aura pas d'excès."

La superfluidité produit un schéma d'attraction identique aux équations MG, elle peut donc être responsable de la régularité observée des courbes de rotation des galaxies. Cependant, contrairement au MG, il ne se comporte qu'à des températures où le composant superfluide prédomine. À de plus grandes échelles d'amas galactiques, le HM s'avère trop excité (c'est-à-dire trop chaud) et perd ses propriétés superfluides. De cette manière, le superfluide TM pourrait donner lieu à la formation de galaxies visibles, et en même temps, dans une phase différente de la superfluidité, correspondrait à la structure observée des amas.

L'approche de Kouri explique pourquoi les astronomes n'observent pas de preuves de MG à l'intérieur du système solaire. «Le soleil crée un champ gravitationnel si puissant qu'il détruit localement la cohérence superfluide», dit-il. - A proximité du système solaire, ne réfléchissez pas en termes de cohérence superfluide. Le soleil se comporte comme une impureté. Comme un trou dans un liquide. "

Enfin, le modèle superfluide explique pourquoi les physiciens ne peuvent pas trouver de particules TM. Depuis les années 1980, des dizaines d'expériences différentes ont cherché des preuves directes de l'existence de telles particules.Ces expériences utilisent généralement de grands réservoirs blindés avec divers matériaux, qui dans de rares cas peuvent interagir avec les particules TM et donner un signal observé. Malgré la grande variété de techniques et de matériaux, l'utilisation de détecteurs soigneusement isolés cachés dans les mines souterraines pour filtrer les faux signaux, aucune preuve convaincante n'a été trouvée de l'existence de la MT.

En l'absence de détection, l'idée que la MT peut être autre chose qu'un simple autre type de particule devient de plus en plus convaincante. «Quand j'étais étudiant, je me réveillais toutes les trente nuits après avoir dormi à propos de la gravité modifiée», explique Nima Arkani-Hamed, professeur de physique théorique à Princeton. "Ensuite, c'est arrivé une fois toutes les 300 nuits, et maintenant cela arrive une fois toutes les 100. Le thème revient."

Si le HM est un liquide superfluide, les particules qui le composent doivent être légères, beaucoup plus légères que les particules de HM hypothétiques que la plupart des expériences recherchent. Les composants d'un superfluide sont probablement trop légers pour être détectables dans les expériences actuelles.

Une prédiction améliorée et unique du modèle Cowry est que le comportement quantique superfluide devrait laisser une marque caractéristique dans les collisions de galaxies. Lorsque le condensat de TM d'une galaxie entre en collision avec le condensat d'une autre, des modèles d'interférence devraient apparaître en conséquence - des ondulations dans la distribution de la matière et de la gravité, ce qui affectera le comportement des galaxies. Superfluid TM fait également des prédictions sur le frottement entre les composants de TM dans des amas de galaxies; une telle friction donnera à nouveau un dessin précis de l'attraction gravitationnelle. Les observations de lentilles gravitationnelles peuvent détecter ces signes de la présence de superfluid TM, si vous savez exactement quoi rechercher.

Pour l'estimation numérique des prévisions, des simulations informatiques sont nécessaires. Koury travaille actuellement sur un tel projet avec des chercheurs de l'Université d'Oxford. Les simulations devraient également montrer si le nombre attendu de galaxies satellites est mieux compatible avec la théorie de la MT superfluide qu'avec les prédictions des modèles existants.

Amanda Weltman, une cosmologiste de l'Université du Cap qui travaille avec TM, mais n'a pas participé à cette étude, estime que le nouveau modèle est "très intéressant et créatif". Mais elle dit qu'elle gardera ses estimations jusqu'à ce qu'elle voit une confirmation expérimentale, des preuves qui soutiennent clairement la superfluidité: "De telles observations ajouteront un réel poids à leurs idées." Si les simulations sur les superordinateurs réussissent, Koury pourrait être en mesure de fournir de telles preuves. Et puis nous devons nous habituer à une vision encore plus complexe de l'Univers - remplie non seulement de matière noire, mais aussi de fluides superfluides sans frottement, tourbillonnant autour de galaxies brillantes.

Arkani-Hamed est plus sceptique et n'est pas prêt à se séparer du froid TM. "Mais si les mauviettes ne sont pas trouvées dans la prochaine série d'expériences, elles ne le seront pas dans les 20 prochaines années", dit-il. Il pense que le moment est venu de jeter un regard neuf sur des modèles construits autour de particules inhabituelles ou de théories modifiées de la gravité. Ou un modèle qui combine le meilleur de deux mondes sombres.